Исследование вольт-амперных характеристик полупроводникового диода

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт Технологических и Транспортных Систем Кафедра Физики и Техники Связи ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА Курсовая работа по дисциплине: «Физика»

Выполнил:

студент гр. ТКР-08

____________________Ревякин А.В.

Проверил:

кандидат ф.-м. наук, доцент, зав. кафедрой ФиТС

_________________И.В. Свешников Чита 2010

Содержание Введение

1.Полупроводниковые приборы

2. Полупроводниковые диоды

2.1Понятие полупроводникового диода

2.2 Устройство полупроводниковых диодов

2.3 Основные параметры полупроводниковых диодов

2.4 Вольтамперные характеристики диодов

3. Расчет схемы измерительного прибора

3.1 Параметры используемых диодов

3.2 Схема измерительного прибора

4. Лабораторная работа Заключение Список используемых источников Приложение, А Схема блока питания установки «Каскад»

Приложение Б Пример измерений и расчетов по лабораторной работе

Введение

Целью данной работы является разработка и создание прибора, предназначенного для изучения полупроводниковых диодов. Для исследования нами был выбран полупроводниковый диод, который наиболее характерно отражает почти все особенности и свойства полупроводниковой техники в целом и является одним из самых популярных электронных устройств в современной радиотехнике. При разработке я руководствовался тем, что собранный прибор должен быть прост в использовании при проведении лабораторных работ, а также не должен допускать установки таких параметров, которые могут привести к пробою диода. Результатом лабораторной работы должны быть измерения и графики, которые могли бы достаточно наглядно объяснить работу полупроводниковых диодов.

1. Полупроводниковые приборы В 50-х гг. XX в. появились полупроводниковые приборы. Они сравнительно просты и весьма компактны. Взаимодействие электронов с электромагнитными полями происходит не в вакууме, а в твёрдом телекристалле.

Электрические свойства полупроводникового кристалла связаны с существованием в нём двух областей с разными видами проводимости.

В некоторых кристаллических веществах часть электронов на верхних атомных оболочках оказываются «лишними». Они уходят, оставляя пустые места — вакансии, или дырки, которые можно рассматривать как положительные заряды. Если к кристаллу приложить электрическое напряжение, электроны «побегут» к одному электроду, а дырки — к другому. Через кристалл пойдёт электрический ток, обусловленный электронно-дырочной, или p-nпроводимостью (от англ., positiv — «положительный» и negativ — «отрицательный»). Вводя в кристалл определённые добавки, в нем создают зоны с избытком либо электронов (n-проводимость), либо дырок (p-проводимость).

На границе этих зон возникает так называемый p-n-переход, воздействуя на который внешним напряжением можно, например, заставить двигаться только электроны, а дырки «запереть»; управлять током проводимости, прикладывая слабое переменное напряжение, и т. д.

Иными словами, полупроводниковые приборы способны играть роль диода, триода и более сложных электронных устройств чрезвычайно малых размеров; могут преобразовывать световые сигналы в электрические и наоборот (фотодиод; фоторезистор — элемент, меняющий своё электрическое сопротивление под воздействием света; фототранзистор).

Существуют полупроводниковые приборы — термоэлементы, термоэлектрические генераторы (вырабатывающие электрическую энергию при нагревании) — для превращения тепловой энергии в электрическую и наоборот. Эти приборы можно использовать в качестве пьезоэлектрических датчиков (реагирующих на изменение атмосферного давления), тензометрических приборов (позволяющих контролировать механическое смещение) и т. п.

2 Полупроводниковые диоды

2.1 Понятие полупроводникового диода Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя электродами (выводами), действие которого основано на использовании односторонней проводимости p-n-перехода.

Полупроводниковые диоды в основном используются в качестве выпрямителей переменного тока и детекторов.

По ряду применяемых полупроводниковых материалов диоды разделяются на германиевые, кремниевые, селеновые; по конструкции — на плоскостные и точечные; по назначению — на диоды, предназначенные для преобразования переменного тока промышленной частоты в постоянный ток, и диоды, используемые для выпрямления переменного тока и детектирования.

2.2 Устройство полупроводниковых диодов Схема устройства диода приведена на рисунке 1. Диод содержит p-n-переход и два невыпрямляющих (так называемых «омических») контакта. С помощью этих контактов pи nобласти полупроводника подключаются к внешней цепи.

Рисунок 1 — Диодная структура Существует несколько технологических способов изготовления переходов диодных структур: электроформовка, выращивание, сплавление, диффузия. В точечных диодах переход образуется в месте контакта заострённого электрода (проволочки) из вольфрама с пластинкой германия или кремния. В процессе изготовления диодов через такой контакт пропускаются импульсы тока значительной силы («формовка перехода»). Под действием тока место контакта разогревается и на небольшой глубине под проволочкой образуется полусферический p-n-переход небольшого диаметра (рис.2).

Рисунок 2 — Устройство точечного диода Близки к точечным по характеру получающего перехода микросварные диоды (или диоды с золотой связкой). В них переход образуется под контактом тонкой золотой проволочки к кристаллу германия при электроформовке импульсами тока.

Основными преимуществами точечных и микросварных диодов являются малая ёмкость переходов, дающая возможность работы на частотах до нескольких сотен мегагерц, а также простота и низкая стоимость изготовления. В плоскостных диодах переходы образуются в объёме полупроводника (рис. 3.).

.

Рисунок 3 — Устройство сплавного диода Планарные структуры представляют собой современную разновидность структур, полученных путём диффузии. У диодов этого типа переходы образованы с помощью диффузии соответствующей примеси в кристалл кремния через «окна» нужных размеров и формы, вытравленной в защитной плёнке окисла, выращенного на кристалле.

В планарных структурах границы p-n-переходов выходят на поверхность кристалла под слоем плёнки окисла. Эта плёнка обладает хорошими защитными свойствами и надёжно изолирует p-n-переходы от воздействия внешней среды. Вследствие этого кремниевые планарные диоды оказываются наиболее надёжными при работе в самых неблагоприятных условиях.

Планарные диоды обладают совокупностью хороших электрических параметров. Лучшие планарные импульсные диоды обладают быстродействием, измеряемым долями секунды.

Конструкция диода изображена на (рис.4). Основными элементами конструкций являются кристалл полупроводникового материала с переходами.

У некоторых типов диодов кристаллы герметизируются с помощью заливки пластмассой (приборы в пластмассовом корпусе).

Рисусок — 4 Конструкции диодов: а — точечного; б — мощного сплава; 1 — кристалл; 2 — корпус; 3 — выводы; 4 — изолятор

2.3 Основные параметры полупроводниковых диодов полупроводниковый диод измерительный прибор К основным параметрам полупроводниковых диодов, определяющим их свойства и эксплуатационные возможности, относятся: предельно допустимый прямой (выпрямительный) ток, прямое падение напряжения, пороговое прямое напряжение, обратный ток, обратное напряжение, напряжение пробоя диода, ёмкость p-n-перехода.

Основной характеристикой диода является вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода.

Предельно-допустимый прямой (выпрямительный) ток. Прямым током называют ток, проходящий через диод в пропускном направлении. Величина выпрямительного тока равна постоянной составляющей тока, протекающего через диод при подаче на него переменного напряжения. Предельно-допустимый прямой ток — максимальный ток, который может длительно протекать через диод, не вызывая ухудшения его качества.

Прямое падение напряжения — средняя величина падения напряжения на диоде, на который подаётся переменное напряжение (для выпрямления переменного тока) Пороговое прямое напряжение — напряжение, при котором начинается резкое возрастание прямого тока через диод (для германиевых диодов — около 0,3 в, для кремниевых — около 0,5 в).

Обратный ток — ток, проходящий через диод в запорном направлении. В исправном диоде обратный ток во много раз меньше прямого. Чем меньше обратный ток диода, тем выше его качество. Наибольшая величина обратного тока указана в паспорте диода.

Обратное напряжение — напряжение, вызывающее обратный ток. Напряжение пробоя диода — предельное обратное напряжение, при котором резко возрастает обратный ток диода (т.е. когда его сопротивление делается практически равным нулю).

Ёмкость p-n-перехода: у точечных диодов — десятые доли пикофарады, у плоскостных достигает несколько десятков пикофарад. Поэтому для плоскостных диодов, работающих в выпрямительных и низкочастотных схемах, максимальная рабочая частота не превышает 50 кГц.

2.4 Вольтамперные характеристики диодов Вольтамперные характеристики (ВАХ) диодов показывают зависимость тока через диод от приложенного напряжения (рис.5). Здесь же показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением

I=I?(е — 1),

где Iоб — обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); jт = kT — температурный потенциал (k — постоянная Больцмана, Т — температура);

Рисунок 5 — Зависимость тока через диод от приложенного напряжения Участок ОА ВАХ соответствует включению диода в прямом, пропускном направлении. Это прямая ветвь характеристики. Участок ОБ соответствует включению диода в обратном, запорном направлении. Это обратная ветвь. Знаком «+» отмечена ВАХ при повышенной температуре окружающей среды, знаком «-» — при пониженной. При повышении температуры прямой и обратный токи увеличиваются. Если через диод протекает постоянный прямой ток Iпр, то при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2 мВ на каждый 1 оС. Важно отметить, что сила прямого тока через диод экспоненциально зависит от приложенного прямого напряжения. Значение прямого напряжения, при котором начинается резкое возрастание прямого тока, зависит от конструкции диода, оно минимально для германиевых точечных диодов и максимально для кремниевых плоскостных (выпрямительных) диодов. Напротив, сила обратного тока слабо зависит от приложенного напряжения. При обратном напряжении происходит пробой p-n-перехода диода и ток через диод резко растёт.

Важной величиной, характеризующей работу диода, является дифференциальное сопротивление Rд.

Дифференциальное сопротивление в прямом направлении зависит от силы протекающего тока. С достаточной точностью можно считать, что для диодов всех типов (независимо от их мощности и размера) дифференциальное сопротивление при температуре 20 оС может быть определено соотношением Rд (Ом) = 26/Iпр (мА). Дифференциальное сопротивление диода при обратных напряжениях очень велико: от нескольких десятков кОм до сотен мОм. При работе на обратной ветви характеристики диод часто характеризуется обратным сопротивлением постоянному току Rобр, равным отношению обратному напряжению к обратному току (прямая ОВ). Величина Rобр, резко уменьшается при повышении температуры вследствие сильного увеличения обратного тока (обратный ток при увеличении температуры на каждые 10 оС увеличивается в 2 раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых).

3 Расчет схемы измерительного прибора

3.1 Параметры используемых диодов Полупроводниковый диод RL202 является кремневым диодом, его характеристики указаны ниже:

Iпр.макс = 70 А;

Uобр пост = 100 В;

U.обр имп = 120 В;

T.s = -65 … +175,С?

Схематически диод RL202 изображен на рисунке 6.

Рисунок 6

Полупроводниковый диод IN5392 является кремневым диодом, его характеристики указаны ниже:

Iпр.макс = 70 А;

Uобр пост = 90 В;

U.обр имп = 100 В;

T.s = -65 … +150,С?

Схематически диод IN5392 изображен на рисунке 7.

Рисунок 7

T.s — рабочая температура

Iпр.макс — максимально допустимый прямой импульсный ток

Uобр пост — максимальное постоянное обратное напряжение

U.обр имп — максимальное импульсное обратное напряжение

3.2 Схема измерительного прибора Данный сменный модуль предназначен для изучения зависимости выходного коллекторного тока от напряжения на базе.

Смещения на p-n переходах задаются двумя источниками напряжения E1(обеспечивающий прямое смещение перехода база — эмиттер) и E2(обеспечивающий обратное смещение коллекторного перехода). Для получения обратного смещения на коллекторном переходе необходимо, чтобы потенциал базы был ниже потенциала коллектора. В выходную цепь включен амперметр, вольтметр включен между базой и эмиттером (рис 3.2).

Рисунок 8

Недостатком данной схемы является использование двух источников питания. Так как установка «Каскад» имеет один источник напряжения 0−10 В, то может быть использована схема на рисунке 9. В реальных схемах также часто подбирают Е1=Е2, это связано с недостатком места в современных платах, что осложняет подвод двух различных напряжений. Это приводит к большей экономии электроэнергии, что является актуальным для портативных электронных устройств.

Рисунок 9

Смещение в выходной цепи задается сопротивлением R1, во входной — сопротивлением R2. Напряжение между базой и эмиттером находится по формуле:

.

То есть напряжение на базе зависит от тока базы. Такая схема называется схемой с фиксированным базовым током. Её недостатком является полное отсутствие стабильности по постоянному току.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением база-эмиттер (рис.10).

Напряжение на коллекторе задается сопротивлением R1 (2,7кОм), резистор R2 (5,1кОм) и потенциометр R3 (47кОм) образуют делитель напряжения. Напряжение на базе равно падению напряжения на потенциометре R3. Таким образом, можно изменять напряжение база — эмиттер в диапазоне от 0 В до UДМ = 0,9E.

Рисунок 10

Подключение амперметра и вольтметра аналогично схеме на рисунке 8.

Схема подключения к контактам установки «Каскад» изображена на рисунке 11. Обозначения на выводах схемы соответствуют обозначениям контактов установки «Каскад». 1a и 2a — контакты для подключения амперметра (+ и — соответственно), 3a и 4a — контакты вольтметра, 1b и 2b — контакты источника питания (смотреть приложение № 1 «Блок питания СБП).

Рисунок 11

Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра физики и техники связи Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Физика»

на тему:

«Вольтамперные характеристики полупроводникового диода»

Чита 2010

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Исследование вольтамперных характеристики полупроводникового диода Цель работы: Изучение свойств полупроводникового диода путём практического снятия и исследования его вольтамперной характеристики Теоретическая часть: Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя электродами (выводами), работа которого обусловлена движением носителей зарядов двух типов — электронами и дырками. Переходы делят структуру диода на две области. Сильно лиугированую область называют эмиттером и, а слабо лугированаю — базой.

ВАХ полупроводникового диода представлены на (рис.1). Здесь ВАХ1 — теоретическая характеристика, ВАХ2 — характеристика реального диода (она учитывает сопротивления объемов полупроводниковой структуры диода и сопротивления внешних контактов, влияние дополнительного разогрева полупроводникового диода мощностью, выделяемой в полупроводниковый диод при протекании через него тока, и т. п.).

Рисунок 12 — ВАХ диода Примерный вид ВАХ реально ПД показан на рисунке 12. Пунктиром дана идеализированная ВАХ, соответствующая уравнению:

I=I?(е — 1), (1.1)

Из рисунка 12 видно, что прямая ветвь ВАХ реального полупроводникового диода сдвинута относительно теоретической характеристики в область более высоких прямых напряжений с резко выраженной величиной порогового напряжения Uпор, т. е. напряжения, при котором возникает заметный прямой ток. У германиевого полупроводникового диода величина Uпор «0,25 — 0,4 В, у кремниевого полупроводникового диода — Uпор «0.65 — 0,8 В. Наклон прямой ветви ВАХ при U і Uпор определяется в основном сопротивлением базовой области диода r’Б Влияние температуры окружающей среды на ВАХ полупроводникового диода иллюстрирует рисунок 13. При возрастании температуры увеличиваются прямой и обратный токи Рисунок 13

Основными параметрами полупроводникового диода, учитывающими влияние температуры являются:

Температурный коэффициент напряжения a?

и температура t*, соответствующая изменению обратного тока в «е'' раз:

Практическая часть Ход выполнения работы:

1. Перед выполнением лабораторной работы нужно ознакомиться со схемой, методами измерений, используемыми измерительными приборами.

2. Снять обратную ветвь ВАХ i=f (u) для германиевого полупроводникового диода (см рис.12) Результаты измерений занести в таблицу протокола и построить график полученной зависимости

Iобр = f (Uобр)

3. Произвести измерения для оценки влияния температуры t° на величину прямого и обратного токов ПД (см. рис.13). Результаты измерений занести в протокол.

4. На графиках экспериментальных ВАХ германиевого и кремниевого полупроводникового диода построить соответствующие теоретические характеристики, рассчитанные по формуле (1.1)

5. Произвести оценку погрешности измерений.

Контрольные вопросы:

1. Полупроводниковый диод, его устройство.

2. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода (формулы, графики)

3. Влияние изменения t на вольтамперные характеристики диода .

4. Сравнить теоретическую и реальную вольтамперную характеристики p-n перехода.

Заключение

При проведении данной работы целью являлось изучение вольтамперных характеристик полупроводникового диода. Созданный мною прибор не позволяет использовать одновременно два амперметра и два вольтметра, поэтому я решили отказаться от излишнего усложнения схемы и ограничился измерением основных характеристик.

При проведении измерений я заметил, что полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью. Это показывает вольтамперная характеристика диода. При небольшом напряжении на зажимах диода в цепи проходит относительно большой ток, а при значительном обратном напряжении, ток ничтожно мал.

Построенные графики позволяют наглядно объяснить работу диода при изменении параметров входного сигнала.

Полученные результаты с небольшими корректировками можно применить к большинству полупроводниковых приборов, так как в основе их работы лежат общие принципы

Список используемой источники:

1. Ибрагим К. Ф.: «Основы электронной техники: элементы, схемы, системы.», Пер. с англ. — Изд. Второе. М.: Мир, 2001. — 398 с.

2. Прянишников В. А.: «Электроника: Полный курс лекций». — 4-е изд. — СПб.: КОРОНА принт, 2004. — 416 c.

3. Москатов Е. А.: «Справочник по полупроводниковым приборам» — Изд. Второе. — электронный документ, файл формата pdf — 1958 кб.

4. Булычев А. Л. «Электронные приборы», /А.Л. Булычев, П. М. Лямин, Е. С. Тулинов.- М.: Лайт ЛТД., 2000. 416с.

5. Бобровников Л. З. «Радиотехника и электроника: учебник для вузов». — 4-е изд. перераб. и доп. М.: Недра 1996. 374с.

6. Дружинин А. П. «Курс лекций по электронике, за 4-й семестр. Специальность-Телекоммуникации», Чита ЧитГУ 2008.

Приложение, А Схема блока питания установки «Каскад»

Приложение Б Пример измерений и расчетов по лабораторной работе С помощью сменного модуля измеряются напряжение на входе и выходной ток. Данные заносятся в таблицу.

Таблица 1

По этим измерениям вычисляется напряжение коллектор-эмиттер.

Например:

1) UКЭ = 10 — 0,03*10−3*2,7*103 = 9,9 (В);

2) UКЭ = 10 — 0,04*10−3*2,7*103 = 9,89 (В);

3) UКЭ = 10 — 0,12*10−3*2,7*103 = 9,68 (В);

4) UКЭ = 10 — 0,29*10−3*2,7*103 = 9,22 (В);

и так далее.

Данные заносятся в таблицу.

Для нескольких измерений вычисляется коэффициент усиления по постоянному току.

Например:

1) КU = 9,9 / 0,04 = 247,5;

6) КU = 2,58 / 0,19 = 13,6;

12) КU = 0 / 0,37 = 0;

Коэффициент усиления по постоянному току становится равным 0 потому, что смещение на коллекторном переходе становится прямым и транзистор переходит из режима усиления в режим насыщения (оба p-n-перехода находятся под прямым смещением).

Погрешность вольтметра в данном случае равна 0.01 В, погрешность амперметра — 0.01 А. Погрешность величины Uкэ равна:

Погрешность определения КU равна:

1) ДKU=247,5*0,25=61,8; дKU=25%;

6) ДKU=13,6*0,054=0,73; дKU=5,4%;

По данным таблицы строится график 1 или график 2. Точки на графике отмечаются с учетом погрешностей.